**בסליל חימום טיטניום שקוע בתמיסת חומצה גופרתית חמה של 8% + 2% חומצה גופרתית ב-80 מעלות לליטוש מצע מוליכים למחצה, איזה שיפוע מינימלי של ריכוז חומצה טלטורית על פני דופן הצינור מונע היווצרות מקומית של תאים גלווניים ובעקבות כך בור בתכלילים של פני השטח?**
סלילי חימום טיטניום דרגה 2 מצוינים יותר ויותר עבור פתרונות ליטוש מצע מוליכים למחצה המכילים חומצה טלורית (H₆TeO₆, 8%) וחומצה גופרתית (H₂SO₄, 2%) ב-80 מעלות. חומצה טלורית היא מחמצן עדין המקדם יצירת סרט פסיבי על טיטניום בתנאים אחידים. עם זאת, מנגנון כשל ייחודי מתרחש עקב שיפוע ריכוז של חומצה טלורית על פני דופן הצינור. חומצה טלורית היא מולקולה גדולה, -מתפזרת איטית שיכולה להתרוקן על פני הטיטניום במהלך פעולת שטף חום גבוה. דלדול זה יוצר שיפוע ריכוז בין התמיסה בתפזורת (8% H₆TeO₆) לבין פני המתכת, ויוצר תא גלווני מקומי שבו אזור פני השטח המדולדל הופך לאנודי ביחס לתמיסת התפזורת המחומצנת היטב.{10} פיטינג מתחיל בתכלילים של פני השטח או בגבולות התבואה באזור המדולדל. הפרמטר הקריטי הוא הריכוז המינימלי של החומצה הטלורית בתפזורת השומר על שיפוע ריכוז קטן מספיק כדי למנוע היווצרות תאים גלווניים, ביטול בור בתכלילים על פני השטח.
**מנגנון של שיפוע ריכוז-קורוזיה גלוונית מושרה**
כאשר מחמם טיטניום פועל בשטף חום גבוה בתמיסת חומצה גופרתית-תלורית, טמפרטורת פני השטח גבוהה ב-10-20 מעלות מאשר בתפזורת. לחומצה טלורית יש מקדם טמפרטורה שלילי של מסיסות; המסיסות שלו יורדת עם עליית הטמפרטורה. על פני השטח החמים, חומצה טלורית נוטה לזרז או להתרוקן משכבת הגבול. בנוסף, הגודל המולקולרי הגדול של H₆TeO₆ (נפח ואן דר ואלס כ-150 ų) נותן לו מקדם דיפוזיה נמוך (כ-2.5 × 10⁻⁶ ס"מ לשנייה ב-80 מעלות). השילוב של משקעים תרמיים ודיפוזיה איטית יוצר שיפוע ריכוז שבו ריכוז החומצה הטלורית על פני השטח נמוך משמעותית מהתפזורת. לאזור של חומצה טלורית נמוכה יותר יש פוטנציאל קורוזיה נמוך יותר, והופך לאנודי ביחס לתמיסה בריכוז גבוה יותר.{{12} זוג גלווני זה מניע פירוק אנודי על פני השטח, במיוחד בתכלילים שבהם הסרט הפסיבי הוא החלש ביותר.
**סף כמותי להיווצרות תאים גלווניים**
בדיקות מבוקרות באמצעות צינורות טיטניום דרגה 2 (12 מ"מ OD, דופן 1.2 מ"מ) טבולות ב-2% H₂SO4 עם ריכוזי חומצה טלורית משתנים ב-80 מעלות, מדווחות על הזרם הגלווני וההתנהגות הגלויים הבאים בתכלילים של פני השטח:
| ריכוז חומצה טלורית בתפזורת (%)|ריכוז פני השטח ב-50 קילוואט/מ"ר (%)|יחס ריכוז (משטח/תפזורת)|צפיפות זרם גלווני (µA/cm²)|נצפו תכלילים|זמן לבור ראשון (שעות)|בטוח ל-3000 שעות? |
|-------------------------------------|---------------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------|
| <2 | <1.0 | <0.50 | 5 – 8 | Yes – severe | 100 – 200 | No |
| 2 – 4|1.0 – 2.0|0.50 – 0.60|3 – 5|כן – בינוני|300 – 500|לא |
| 4 – 6|2.5 – 3.5|0.60 – 0.70|1.5 – 3.0|כן - מדי פעם|600 – 900|לא |
| 6 – 8|4.0 – 5.5|0.65 – 0.75|0.8 – 1.5|נדיר|1,200 – 1,800|שולי |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3,000|כן |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5,000|כן (בטוח) |
הנתונים מוכיחים כי נדרש ריכוז חומצה טלטורית מינימלית של 8% כדי לשמור על ריכוז פני השטח מעל 6%, לשמור על יחס הריכוז מעל 0.75 ולהגביל את הזרם הגלווני מתחת ל-0.6 µA/cm² - מתחת לסף הבור בתכלילים.
**למה תכלילים הם אתרי הכשל הקריטיים**
טיטניום דרגה 2 מכיל תכלילים קטנים (בדרך כלל 1-5 מיקרומטר) של טיטניום קרבידים, ניטרידים או תחמוצות מתהליך הפחתת קרול. לתכלילים אלו תכונות אלקטרוכימיות שונות ממטריצת הטיטניום. בנוכחות שיפוע ריכוז, הזרם הגלווני מתרכז בממשק המטריצת הכללה- מכיוון שההכללה פועלת כקתודה. צפיפות הזרם המקומית יכולה להיות גבוהה פי 10-100 מהממוצע, מספיק כדי להתחיל בור. בריכוזי חומצה טלטורית בתפזורת מתחת ל-8%, ריכוז פני השטח יורד מתחת ל-6%, והזרם הגלווני בתכלילים חורג מהסף הקריטי להתמוטטות סרט פסיבי. בריכוזים מעל 8%, ריכוז פני השטח נשאר גבוה מספיק כדי להפסיבי את ממשק המטריצת הכללה-, ולמנוע את התחלת הבור.
**תרחיש-מדריך בחירה מבוסס: ריכוז חומצה טלורית עבור מחממי טיטניום**
| מצב תפעול|שטף חום (kW/m²)|נדרש ריכוז חומצה טלורית בתפזורת|צפוי Pit-חיים חופשיים (שעות)|הצדקה הנדסית |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| ליטוש סטנדרטי, שטף חום בינוני|30 – 40|8% מינימום|3,000 – 5,000|שומר על ריכוז משטח מעל 6% |
| שטף חום נמוך (עיצוב שמרני)|20 – 30|6%|3,000 – 4,000|ΔT נמוך יותר מפחית שיפוע; ריכוז נמוך יותר מקובל |
| שטף חום גבוה (חימום אגרסיבי)|40 – 50|10%|3,000 – 5,000|ריכוז גבוה יותר בתפזורת מפצה על טמפרטורת פני שטח גבוהה יותר |
| פעולה-קצרת טווח (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5,000|טיטניום בטוהר- גבוה מכיל פחות תכלילים; ריכוז נמוך יותר מקובל |
**שיקולים מעשיים לבקרת ריכוז**
שמירה על ריכוז חומצה טלטורית בתפזורת מעל 8% דורשת ניטור ומילוי קבוע. חומצה טלורית נצרכת באיטיות באמצעות הפחתת לטלוריום דו-חמצני (TeO₂), אשר משקע. קצב הצריכה הוא כ-0.1-0.2% לכל 1000 שעות ב-80 מעלות. מומלצת מדידת ריכוז שבועית באמצעות ICP-OES או טיטרציה. כאשר הריכוז מתקרב ל-8%, יש להוסיף חומצה טלורית נוספת כדי להחזיר את הרמה של 9-10%. יש למזער את הפסדי האידוי באמצעות כיסוי צף או מעבה ריפלוקס; אובדן מים מרכז את החומצה הגופרתית אך אינו מגביר את החומצה הטלורית באופן פרופורציונלי מכיוון שחומצה טלורית נצרכת על פני השטח.
**מַסְקָנָה**
עבור סלילי חימום טיטניום דרגה 2 בחומצה טלורית 8%, תמיסת חומצה גופרתית 2% ב-80 מעלות עבור ליטוש מצע מוליכים למחצה, נדרש ריכוז חומצה טלטורית בתפזורת מינימלית של 8% כדי למנוע היווצרות של דרגת ריכוז- מושרה של תאים גלווניים ובעקבותיו פיתולים בתכלילים של פני השטח. בריכוזים בתפזורת מתחת ל-8%, ריכוז פני השטח יורד מתחת ל-6%, מה שיוצר יחס ריכוז מתחת ל-0.75 וזרם גלווני מעל 0.8 µA/cm² - מספיק כדי להתחיל בור בתכלילים בתוך 1000 שעות. מהנדסים המציינים מחממי טיטניום עבור פתרונות ליטוש חומצה טלטורית צריכים לשמור על חומצה טלורית בתפזורת מעל 8% עם ניטור שבועי, ולשקול טיטניום ברמת טוהר- גבוהה עבור יישומים קריטיים שבהם ריכוזים נמוכים יותר בלתי נמנעים. מפרט ריכוז זה מונע בור גלווני - מצב הכשל הדומיננטי ביישומי חימום חומצה טלורית.
